高温超导磁体的失超保护技术

高温超导材料，特别是二代YBCO涂层导体在某些情况下会触发Quench淬灭现象。Quench现象指当高温超导带材中某一局部（特别是在坏点处^[15]）因为机械、电磁、热学等干扰而发生的不可逆失超。然而由于局部失超，电流通过周围常规导体传递^[16]，整体电阻上升，磁体其余部分电阻仍然很小，磁体整体阻抗不变，磁体中电流也保持不变。这样就会有大电流通过失超区域，在焦耳热作用下，失超区域温度持续上升，这就是发生了Quench^[17，18]。随着热量向周围传递，周围区域也会退出超导态，再加速发热，这被称为失超传播（Quench Propagation）。失超传播对于超导磁体的稳定性是有利的，否则Quench将更加难以监测，直到烧毁线圈。而高温超导失超传播速度比低温超导低两三个数量级^[19]，失超非常难以监测。

不同的高温超导磁体在带材结构、绝缘方式、工作温度、制冷形式等方面各不相同，加之失超问题本身的复杂性，变量众多，故未能有一个统一的方法来给出所有情况下的失超参数，为了设计出合适的失超保护系统，有必要对不同的情况进行分别研究。观察Quench最常用的方式是测量带材各部分的电压与温度随时间的变化^[20，21]、也有利用微波^[22]、光学观测^[23]、数字散斑干涉^[24]、磁光^[25]等方法进行观察的。

失超检测是目前学界研究的热点与难点，目标是能研究出一套灵敏的检测方法，能迅速、准确地判断失超发生。对于失超检测，经典的方法是延续低温超导的解决方法，利用磁体中的阻性电压测量。原则上，高温超导线圈中，直流情况下没有电压信号；交流情况下只有感性信号；失超则会产生阻性信号。这样只需要提取出线圈电压信号中与电流相位相同的阻性信号即可。阻性信号出现与增大意味着Quench的发生及传播。然而由于高温超导磁体中，特别是交流磁体中，失超引起的阻性信号非常小，往往会淹没于背景噪声之中。若是将判据电压设定太小则可能进行大量的误报，而一旦报警发生Quench就需要对磁体放电，误报太多会严重影响设备使用效率与稳定可靠性；一方面，若是将判据电压设定过大，则可能当失超发生后，未能进行及时检测，使得坏点温度持续上升，导致可用于释能的时间减少或者直接烧毁线圈。另一方面，由于高温超导带材的失超传播非常缓慢，进一步加大了失超检测的难度。对于电压测量来讲，测得的磁体两端电压是电压在整个磁体的带材长度上的积分，而这个值可以近似认为正比于温度延带材长度的积分。但是，测量磁体两端电压只能得到总体情况，并不能反映局部失超情况，缺乏空间分辨率。

为此可以利用电桥方法对测量进行改良，减小噪声。在超导磁体的中间位置连接一个电桥探头，通过两个大电阻分别与电源正负极连接。由于很难做到准确地找到中间点使得探头两侧的超导线圈的电感值相同，可通过滑动变阻器调节配平。这样在通常情况下，灵敏电流表中没有电流；而几乎不可能在探头两侧的超导线圈上同时发生失超，所以当失超发生时，电桥两侧失去平衡，灵敏电流表中观测到电流。但是，在大型交流超导磁体中，不能在线圈中央安装一个中央电压探头，因为探头会在高压下被击毁。

总体上讲，低温超导中常用的电压检测失超的方法需要去除电磁噪声，检测缓慢，不能得到局域信息，难以满足高温超导磁体失超检测的需求。

除了传统的利用电桥等方法测量电压以外，研究者们还提出了许多新颖的检测方法。2001年时，N.Nanato等学者提出了通过测量有效功率的方法来检测高温超导磁体失超^[26]。即利用一个Rogowski线圈，未接触的地提取线圈中感性信号V_RC，再将整体电压信号V_SC减去V_RC乘以系数k。通过调节系数k，可以使得只剩下阻性信号ri，其中r是失超引起的阻性信号，i为电流。由于在实际工作中，背景信号非常强烈，往往将需要探测的微弱信号掩盖住。为了增大信噪比以提取有效信号，可以将信号ri转化为有效功率，再通过低通滤波器处理。这样就能得到一个较为方便测量的失超信号^[27]。

2009年，N.Nanato等提出了利用声波来检测失超的方法^[28，29]，该实验团队用长度为1340mm、I_c为154A的BSCCO带材绕制超导线圈，并在线圈的骨架上安装了一个声学信号发生及探测器。在这个线圈中，有8mm的缺陷，只有16.5A的I_c。而声学探头的位置离坏点有23mm的距离。由于信号比较微弱，试验中采用了带通滤波器、放大器、低通滤波器进行信号处理。实验中发现该方法能有效地发现失超并保护该线圈。2011年，Daewon Kim提出了利用串联热电偶的方式来检测失超^[30]。实验中，将大量的热电偶探头安装在磁体中。并将这些热电偶串联起来，测量两端的电压。当Quench发生后，磁体局部升温，使得部分热电偶探头探测段温度上升，而冷端温度相对不变，这使得热电偶电压改变，进而导致整个热电偶串联系统的电压改变，通过观测该电压信号可以判断失超。实验组将该方法的结果与经典电桥电压测量的结果进行了对比，发现该方法能发现低级别的失超，然而经典方法在低级别失超时失效。除了这些方法以外，学者们还提出了利用霍尔探头观测导线中的电流重分配来检测失超的方法，利用干涉仪检测，将YBCO带材从中间分开成两部分分别观测等方法。但这些方法都有自己的局限性，并不能在所有的情况下经济可靠地检测失超。(www.xing528.com)

利用瑞利背散射来检测失超被认为是潜在的完美失超检测方案^[31]。其拥有免疫电磁干扰，高空间、时间分辨率，信号强，占空间小（＜50μm）等特点，原理上能够完美地检测失超信号。光纤中的瑞利背散射是由折射率沿光纤长度的随机波动引起的。这些波动将导致一个不可预估的散射，但其散射的振幅和相位是延光纤长度的静态函数。光纤可以被视作拥有随机周期的连续布拉格光栅。局域的温度或者应变的改变将影响反射光谱，因此可以由此来判断局域的温度变化。通过对反射光谱进行傅里叶变化，可以得到瑞利背散射的振幅。通过将散射数据与基准散射信息进行对比，可以实时地得到局域的温度、应变变化^[32，33]。但是，由于在此过程中需要进行大量的包括傅里叶变换在内的计算，越高的空间分辨率就意味着越大的计算量。过于精细的测量将使得计算量远超计算机的负荷。WKChan给出了对于不同线圈的时间、空间分辨率选取建议及相应的数据采集要求^[34]。综上所述，对于高温超导的失超检测，还没有一个能覆盖所有情况的经济准确可靠的方法。

当检测到失超信号后，为了防止进一步的破坏，需要对磁体进行放电处理。然而当失超发生时磁体中往往储存着非常大的能量，所以需要将这些能量迅速、安全地释放出去。通常来讲，一般有以下几种措施：①将能量导入一个释能电阻中；②利用加热器对磁体进行加热，加速失超区域扩大；③开启冷二极管。对于释能电路来讲，放电的速度不能过慢，否则将使得失超区域温度上升过高，导致磁体损毁；也不能过快，否则会在磁体中产生极大的感应电压，可能破坏绝缘，击穿磁体。另一方面，可以使用额外的置于带材表面的加热器来对磁体进行加热，使得磁体迅速失超，整体阻抗上升，减小电路中的电流，降低失超区发热功率。冷二极管是磁体保护中最常用的电路元件，其缺点是非常不灵敏。

此外，ERavaioli等提出了利用耦合损耗感应失超（CLIQ）与传统加热器混合的方法来进行磁体保护^[35]。CLIQ可以在带材中感应出高频电流，从而迅速地产生大量耦合损耗，进而使得带材迅速升温退出超导态。通过混合保护系统，可以使得磁体中的电流以非常快的速度衰减，热点温度更低，使得磁体温度更加均匀。

高温超导的失超检测研究尚没有突破性进展，进而失超释能也无法进行，无法完美地保护磁体系统。现在，研究者们开始考虑主动地设计磁体系统而不是等待失超发生再进行检测释能，通过导热系统将失超区发出的热量吸收带走，减缓或者阻止升温，使得有足够的时间来进行释能处理，保证热点温度不会过高。在这个过程中，关键是设计选取合适的高温超导带材与制冷系统。其中对高温带材的选取主要指选取合适的稳定层厚度。稳定层的作用在于当失超发生时，超导层退出超导态，电流仍能通过稳定层传播。而没有稳定层的YBCO带材是没有意义的。

Takuya Minagawa等研究由不同稳定层厚度d_Cu的YBCO带材绕制的高温超导磁体在局部发生Quench后的坏点温度上升情况^[36]。研究中，假设磁体工作在37K，当失超检测系统发现V_qs信号后，在0.2s后就进行放电程序，假设放电所需时间为τ。对于系统对应的失超检测，释能系统，需要选择适合稳定层厚度的高温超导带材。文中还对比了坏点引发的失超与线圈长直部分制冷失效引发失超的区别，指出：①需要更厚的稳定层才能把T_HS控制在一定范围；②如果考虑不可逆坏点存在的线圈是不能再使用的话，就只需要考虑长直部分制冷失效引发的失超问题；③导线并联能极大地减小所需的稳定层厚度。

Osami Tsukamoto等进一步延伸了Takuya Minagawa的工作，提出了两种对于线圈安全稳定性判据的定义。其稳定性判据是指线圈中即使出现坏点也不会引发不可逆失超传播；对于失超保护的安全性判据是指在磁体长直部分失超的情况下通过失超保护程序仍能保证线圈不被烧毁^[37]。通过仿真计算发现，对于缺陷引起的失超，当缺陷区域长度小于判据L_MAD时，不需要启动磁体放电系统也能稳定运行；当缺陷区域长度大于判据L_MAD时，即使启动磁体放电系统，线圈也将会被损坏。如果是由于长直部分制冷失效引起的失超，则要求阻性区域大于一定值L_MALRZ，否则将导致线圈烧毁。